Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии

В семье варшавского учителя гимназии Владислава Склодовского росли три дочери. Они мечтали учиться в университете, но семья жила небогато, к тому же в Польше, которая в конце XIX века была провинцией Российской империи, у девушек практически не было возможностей для получения университетского образования. Младшая сестра, Мария, закончила в Варшаве подпольные женские курсы, которые назывались «Летучий университет».

Дом в Варшаве, где родилась Мария Склодовская. Сейчас — музей Марии Склодовской-Кюри. Фото: Дар Ветер/ Wikimedia Commons. ia Commons

Диплом таких курсов никто не признавал. Чтобы иметь возможность учиться дальше, две сестры — Мария и Бронислава (она была старше Марии на два года) — заключили соглашение: получать образование по очереди, помогая друг другу. Мария стала работать гувернанткой и отдавать заработанные деньги Брониславе, чтобы та могла получить среднее образование в Варшаве, а потом уехать в Париж учиться медицине. Во Франции Бронислава стала врачом, вышла замуж за польского врача-эмигранта. Теперь уже она пригласила сестру в Париж и помогла ей оплачивать учёбу.

Владислав Склодовский и его дочери: Мария, Бронислава и Хелена. 1890 год. Фото: Unknown photographer/ Wikimedia Commons

В 1891 году двадцатичетырёхлетняя Мария Склодовская приехала к сестре. Паровоз, выпуская белый пар, подкатил пассажирские вагоны к длинному перрону парижского вокзала, Мария вышла из поезда, и с этого момента у неё началась совсем другая жизнь. Париж — огромный город со знаменитыми театрами, дворцами и университетом — покорил молодую полячку. Она поступила в Сорбонну и поселилась недалеко от университета в маленькой холодной мансарде в Латинском квартале — традиционном месте обитания парижских студентов.

Пренебрегая едой и сном, Мария прилежно училась и закончила университет одной из лучших, получив сразу два диплома — физика и математика. Её успехи настолько впечатлили педагогов, что девушку оставили в университете для самостоятельной научной работы. Мария Склодовская стала первой в истории Сорбонны женщиной-преподавателем.

 Мария познакомилась с Пьером Кюри, который заведовал лабораторией в Школе промышленной физики и химии. Они поженились и стали работать вместе. Мария при заключении брака взяла двойную фамилию — Склодовская-Кюри.

Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в своей лаборатории. 1900 год. Фото: Vitold Muratov/ Wikimedia Commons

Когда супруги Кюри узнали об опытах Антуана Беккереля (см. «Наука и жизнь» №5, 2015, «Сказка о Сен-Викторе и Беккереле, открывших таинственное излучение»), Мария выбрала радиоактивность темой своей диссертации. Она решила проверить, какой радиоактивностью обладают образцы урана из разных месторождений. В то время уже было известно, что излучение урана вызывает ионизацию воздуха и увеличение его проводимости, которую можно измерить с помощью простого электрического прибора.

Уранинит из месторождения Иоахимсталь в Чехии, с которым работали супруги Кюри

Измерив ионизацию от разных образцов, Мария убедилась, что урановая руда из чешского месторождения Иоахимсталь в четыре раза активнее, чем образцы из других месторождений. Супруги Кюри предположили, что в этой руде кроме урана присутствует ещё какой-то активный элемент. С 1898-го по 1902 год в плохо приспособленном сарае на улице Ломон они переработали восемь тонн урановой руды! Результатом этого титанического труда стало получение образца вещества с такой высокой радиоактивностью, что он светился в темноте! Исследования показали, что это новый элемент. Супруги назвали его радием.

Примерно в то же время обнаружилось и биологическое воздействие радиации. Антуан Беккерель попросил у Кюри образец нового радиоактивного вещества для своего публичного выступления. Пробирку с радием он положил в кармашек жилета и вечером обнаружил, что на коже под кармашком образовалось покраснение. Пьер Кюри решил повторить опыт и тоже поставил его на себе. Он привязал на несколько дней пробирку к предплечью, и вскоре на коже образовалась язва, которая не заживала два месяца. Супруги стали замечать, что в процессе работы над радиоактивными препаратами их руки тоже покрываются язвочками. Это их не остановило — Пьер и Мария продолжили исследования и открыли ещё один радиоактивный элемент, названный в честь Польши, родины Марии, полонием.

Супруги Кюри не стали патентовать свои открытия, чтобы те оставались достоянием всего человечества. В 1903 году они вместе с Антуаном Беккерелем получили Нобелевскую премию «За выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». На эти деньги они купили очень нужное оборудование для лаборатории и — наконец-то! — ванну для своей квартиры.

Когда французский философ и социолог первой половины XIX века Огюст Конт рассуждал о непостижимости химического состава звёзд, он полагал, что проблему невозможно решить из-за невероятной удалённости светил. Однако работы Йозефа Фраунгофера, Генриха Герца и Вильгельма Рентгена опровергли воззрения Конта и заложили основу для дистанционного химического анализа звёзд по их слабому свечению.

Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри экспериментируют с радием. Гравюра Андре Кастейна/ Wikimedia Commons

Супруги Кюри пошли ещё дальше. Их исследования показали, что вещество звёзд можно потрогать руками. Известный физик Виктор Вайскопф писал об этом так: «Когда Мария и Пьер Кюри выделили радий в знаменитом сарае в Школе промышленной физики и химии, когда их охватил трепет при виде сверхъестественного свечения этого вещества в темноте, они оказались созерцателями явления, выходящего за пределы обычного атомного мира окружающей нас среды. Теперь мы знаем, что супруги Кюри увидели нечто, дошедшее из тех времён, когда земное вещество находилось в совсем иных условиях, внутри взрывающейся звезды. Естественные радиоактивные вещества — последние свидетели, последние ещё тлеющие угольки, оставшиеся от тех полных событиями времён, когда образовывались химические элементы». По мнению Вайскопфа, благодаря работам Марии Склодовской-Кюри «физика вышла на новый рубеж, и это можно назвать прыжком в космос».

В момент взрыва сверхновой элементарные частицы и ядра обычных, нерадиоактивных элементов сталкивались с такой скоростью, что сливались, образуя всевозможные тяжёлые химические элементы, включая уран, радий и другие элементы тяжелее железа. Многие из них радиоактивны, потому что отдают ядерную энергию, поглощённую в момент взрыва сверхновой. Звёзды и есть философский камень, превративший звёздное железо в земное золото, рассеянное в минералах и собранное в золотых жилах. 

После получения Нобелевской премии Мария продолжала изучать радиоактивные элементы. В 1910 году ей удалось выделить чистый металлический радий и доказать, что это самостоятельный химический элемент. Её выдвинули кандидатом во Французскую академию наук, из-за чего среди академиков разгорелись яростные дебаты. Кандидатуру Марии Склодовской-Кюри провалили на выборах. Для победы ей не хватило всего двух голосов. А в следующем, 1911 году она получила вторую Нобелевскую премию, уже по химии, «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Мария Склодовская-Кюри стала первой и до сих пор единственной женщиной в мире, отмеченной двумя Нобелевскими премиями.

История семьи Кюри не заканчивается на Пьере и Марии. Их старшая дочь Ирен родилась за год до открытия радия. Её мать всю себя отдавала науке, и девочка выросла под присмотром дедушки — врача Эжена Кюри. Ирен тоже закончила Сорбонну, правда с перерывом на несколько месяцев, когда помогала матери организовать работу двадцати фронтовых радиологических аппаратов, созданных на основе её открытий. Шла Первая мировая война, и эти мобильные установки помогли спасти много жизней — они обнаруживали в теле раненых бойцов шрапнель и осколки. Однако работа Марии и Ирен была небезопасной. Они получили значительные дозы радиации, которые впоследствии вызвали у них лейкемию.

Мария Склодовская-Кюри с дочерью Ирен

Поработав с матерью, Ирен стала ассистентом в Радиевом институте. Здесь она познакомилась с Фредериком Жолио. Они поженились, оба взяли фамилию Жолио-Кюри и начали работать вместе. Супруги Жолио-Кюри сделали немало важных открытий, но самое выдающееся из них как раз и стало современным вариантом философского камня.

 В 1897 году шотландский физик Чарльз Вильсон заметил, что в перенасыщенном водяном паре вокруг ионов образуются капельки воды и тогда их можно увидеть невооружённым глазом. На основе этого эффекта Чарльз сконструировал прибор, который стали называть камерой Вильсона. Прибор оказался настолько ценным, что за его создание автор получил в 1927 году Нобелевскую премию по физике.

Сольвеевский конгресс 1927 года собрал великих учёных. На фото в первом ряду (слева направо) — Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Склодовская-Кюри, Хенрик Лоренц, Альберт Эйнштейн и другие. Colorized by Sanna Dullaway, photograph by Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay. Фото с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Камера Вильсона позволяла видеть движение отдельных элементарных частиц! Элементарная частица влетала в камеру, наполненную перенасыщенным водяным паром, и вызывала ионизацию молекул вдоль своей траектории до тех пор, пока не расходовала всю энергию и не останавливалась. Ионы, расположенные вдоль траектории частицы, начинали конденсировать на себе капельки воды и в результате в камере появлялась туманная полоска. Если камеру Вильсона помещали в магнитное поле, траектория элементарной частицы загибалась, а то и закручивалась в спираль. Направление изгиба говорило о знаке заряда частицы, а кривизна траектории — о соотношении заряда частицы и массы. Таким образом, появилась возможность увидеть путь отдельных элементарных частиц. И хотя, конечно, сами частицы оставались невидимыми, камеру назвали «открытым окном в атомный мир».

Фредерик Жолио-Кюри усовершенствовал камеру Вильсона. В его варианте она стала очень чувствительной, что позволило провести тончайшие опыты с использованием мощного источника излучения, сделанного из полония. В одном из опытов, когда Фредерик и Ирен облучали алюминиевую фольгу альфа-частицами (ядрами гелия), супруги обнаружили интересный эффект: после облучения алюминий сам становился радиоактивным. Анализ показал, что обычный алюминий, присоединив к себе альфа-частицу, превратился в радиоактивный фосфор. Так был открыт философский камень — способ превращения одних элементов в другие, иными словами, метод создания искусственных элементов.

Для науки, в том числе для медицины, метод превращения одних элементов в другие оказался бесценным. Использовав его, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили много различных искусственных изотопов. В 1935 году им вручили Нобелевскую премию по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Ирен, ещё девочкой, присутствовала на церемонии вручения Нобелевской премии её матери, а теперь и сама удостоилась этой чести.

 Мария Склодовская-Кюри и её дочь Ирен Жолио-Кюри стали пионерами атомного века, они первыми открыли дверь в неизведанное и на себе испытали все сопряжённые с этим опасности. Их исследования принесли не только важные открытия, но и бесценный опыт работы с радиоактивными веществами, который позволил следующим поколениям учёных-атомщиков не подвергать смертельному риску своё здоровье.

В честь супругов Кюри были названы радиоактивный химический элемент кюрий, Университет Пьера и Марии Кюри и Научно-исследовательский институт Кюри в Париже, а также станция парижского метро. Мария Склодовская-Кюри была удостоена десяти научных премий и 16 медалей и избрана почётным членом 106 научных учреждений, обществ и академий. Её имя вдохновило многих женщин посвятить свою жизнь науке.